CN1303533A - 用于调整电池端电压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于变换电池端电压的方法和装置,以致于在用于各种电池化学性质的放电曲线上的适当点上开始像关机或保存磁盘这样的一个或多个操作。设置一个控制电路,用于根据用于装置的各种预定点,例如剩余容量,电压温度,和安全性这样的预定点来触发放电结束操作,该装置测量一个预定端电压来触发一个或多个操作。当端电压达到一个预定点时,控制电路把电池的端电压调整到基本上与该装置的预定端电压阈值相匹配的一个值,从而在适当的时间上顺利地触发操作。该控制电路也能够调整端电压以便把它维持在大于该阈值由此延迟触发一个或多个操作。当使用的电池化学性质不同于该装置被设计所使用的电池化学性质时,该方法和装置允许被设计的装置使用某一个化学性质的电池,能够临时中断操作而不丢失数据或能够延迟操作由此避免电池容量的浪费。

Description

用于调整电池端电压的方法和装置

本发明涉及可充电电池，特别是涉及在根据由具有不同电池的化学性质的电池组呈现的不同放电曲线来计算的放电期间在某些点上调整一个电池端电压的方法和装置。

已往，电池(也通称“哑”(dump)电池)提供一种难以预料的电源，所以典型地一个由电池组供电的装置的用户不能得到可靠的预先警告：一个电池组的可操作容量即将用完。因此，不能显示有多少剩余时间能够使用，以致于例如在该电池组完成放电之前一个用户不能够保存当前正在工作的数据或设置一个替换电源。结果，为了在电池用完容量之前确定备用电源开始操作的时间，许多的电子产品已经被特别地设计有试图估计电池电荷状态的电路。例如，通过测量电池组的端电压来进行估计电池的状态，并且当该端电压达到某一个降低电压限制时执行某一个放电结束的操作，例如触发任一种所需要的报警或执行保存磁盘操作。这个降低电压限制通常被称为放电结束电压(EODV)并且典型地是一个恒定值，也就是根据用于放电结束操作所需要的剩余容量和用于安全与有效地使用一个电池的需求来设置该降低电压限制。

然而，一个电池组的放电曲线根据它的电池化学性质来变化。因此，如果设计一种产品的电路在用于某一类型电池组的一个设置电压上开始EODV保存磁盘操作，并且利用具有不同的电池化学性质与具有不同的放电曲线的不同电池组给该产品供电，那么EODV保存磁盘的操作可能被执行的太快将导致容量的浪费，更糟的是执行保存磁盘的操作太晚将导致损失数据。

一个具有不同的放电曲线的两个电池化学性质的实例是石墨基锂离子电池和焦炭基锂离子电池。一个典型的石墨基锂离子电池能够具有如在图1中所示的放电曲线，而一个典型的焦炭基锂离子电池能够具有如在图2中所示的放电曲线。用于焦炭基锂离子电池的放电曲线逐渐地下降(图2)，而用于石墨基锂离子电池的放电曲线在容量末端迅速地下降(图1)。因此，在石墨基锂离子电池中接近容量结束的电压大大地高于在焦炭基锂离子电池中接近容量结束的电压。

各种电池的化学性质具有某些下限，对该下限电池可以安全地被放电而不影响电池性能。例如，在一方面石墨基锂离子电池不应被放电到低于2.7V。另一方面焦炭基锂离子电池可以安全地被放电到2.5V而不影响电池的性能。因此，如果设计一种产品的电路在一个设置电压，例如对于一个焦炭基锂离子电池(它将保留大约150mAh的容量)为3.0V上开始EODV保存磁盘操作，并且一个石墨基锂离子电池可以被代替，那么当端电压达到目前的3.0V电压时，在该电池组中没有足够的剩余容量(例如只有40mAh)用于EODV保存磁盘操作并且数据可能被丢失。在其它具有不同的电池化学性质的电池中，例如在锂聚合物电池和NiMH电池中可以识别出具有与焦炭基锂离子电池和石墨基锂离子电池相对应的相同问题。

因此，最好是能够提供一种方法以便允许一个产品在放电曲线的适当的点上开始这种所需要的操作，而与实际的端电压无关，其中该产品利用测量端电压来触发EODV或其它操作。我们现在已经发现，令人惊讶地是通过调整一个电池的端电压能够实现这种方法。

因此，在第一方面，本发明提供一种用于控制在一个装置中触发一种操作的方法，它利用测量一个电池的端电压以便在一个预定阈值上触发该操作，该方法包括在达到一个预定点时把该端电压变换成一个预定值。

在第二方面，本发明提供一种用于控制在一个装置中触发一种操作的装置，它利用测量一个电池组的端电压来在一个预定阈值上触发该操作，该装置包括在达到一个预定点时把该端电压变换成一个预定值的装置。

在第三方面，根据本发明的一个电池组设置有用于控制触发一个操作的电路。

能够理解的是：可以设计该装置以便在一个给定的电压阈值上触发一个操作，或在沿着电池组放电曲线的不同的电压阈值上触发各种操作。此外，每个电压阈值可以触发多种操作。因此，在另一个方面，本发明预计沿着实际的电压放电曲线转换在大于一个点的多个点上的端电压，从而在适当时间触发多个操作。

许多产品和电子装置，例如便携式计算机、移动电话等等，根据测量的电池端电压来确定开始各种操作的时间。这些装置通常没有被设计用来与所谓的“灵巧”电池(smart battery)进行联系，这些电池通过总线联系给该装置提供所需要的信息。因此，在这些装置中，测量的端电压一旦达到某一个预定阈值(例如3.0V)，就开始例如保存磁盘操作这样的操作以便防止数据损失。这个预定阈值典型地是一个设计到该装置本身中的恒定值。通常，对于某一个电池的化学性质，该装置设计人员以与该电池的最小容量有关的这个值为基础，以便需要在关机之前执行某一个操作。本发明提供用于变换电池端电压的方法和装置，以致于在用于各种电池的化学性质的放电曲线上适当的点上开始某一个操作，即使根据单个电池的化学性质对该装置的阈值进行编程也上是如此。在此处使用的术语“电池组”表示任何一种形式的可充电电池，该电池把化学能转换成电能，并且包括单个电池、电池串联连接或并联连接的组合，或装配在一组中的一个电池或多个电池。

因此，本发明通常提供一种用于调整电池组的端电压的方法和装置。根据电池的化学性质和工作环境，该端电压可以被调整到一个比实际的电池电压更高或更低的电压

能够理解的是：通过把电池端电压调整到一个低于实际的电池电压的值上能够启动触发一个操作或提前触发一个操作。通过把端电压变换成低于实际的电池电压和阈值电压，基本上能够立刻触发对应的操作。通过变换端电压以致把端电压降低到与实际的电池电压相关的某一个量，当电池连续的放电使变换的端电压降低到用于触发相应操作的阈值电压时，将触发该对应的操作。

进一步能够理解的是：通过把电池端电压调整到一个大于实际的电池电压的值能够延迟操作的触发。通过在大于实际的电池电压上把该端电压维持一个设定的时间周期，该时间周期持续并超过实际的电池电压达到该阈值电压的时间，那么触发该操作将被延迟。另外，当实际的电池电压已经下降到低于该阈值电压时，通过把端电压升压到一个与实际的电池电压相关的量，该端电压将只通过该电池连续的放电达到该阈值电压，从而延迟触发该操作。

本发明提供一种方法和装置，用于通过把端电压变换到当达到某一个点(多个点)时的一个值(多个值)来控制在一个装置中，例如像一个便携式计算机或移动电话这样的装置中的一个或多个操作的触发，该装置利用测量的电池端电压来触发在某一个阈值(多个阈值)上的操作。这些点包含例如基于测量像电池组电压、电池电压、剩余电池容量、电流、时间、温度、压力、PH值和安全性这样的点。剩余电池容量测量大约是一个用于执行结束放电操作需要的剩余容量的最小值。各种操作包含例如：放电结束操作、关闭操作、安全操作、保存磁盘操作、外围设备禁止操作、存取禁止操作、休眠方式操作、低电源方式操作和报警操作。

在一个优选的实施例中，利用在电池组的电路之内的放电控制电路来变换端电压。该放电控制电路启动电压调整电路以便减小/降低、维持或提高端电压。在一个特殊的实施例中，该放电控制电路触发电压调整电路以便把端电压降低到基本上与一个预定阈值匹配的一个预定值，由此触发一个操作。该电压调整电路可以包含例如一个开关或一个补偿变换器。在一个可替换的特殊实施例中，该放电控制电路触发电压调整电路以便把端电压维持到大于该预定阈值的一个预定值，由此延迟触发一个操作。该替换的电压调整电路可以包含例如一个升压变换器/调节器或一个直流一直流调压器。

在另一个优选实施例中，本发明提供一个用于控制在一个装置中触发一种操作的控制电路，它利用测量一个电池的端电压来在一个预定阈值上触发该操作，该控制电路包括在达到一个预定点时把该端电压降低到实际上与预定阈值相匹配的一个预定值以便触发该操作，其中预定点是以从电池组电压、电池电压、剩余电池组容量、电流、时间、温度、压力、PH值和安全性中选择的一个量度为基准的，并且从放电结束操作、关闭操作、安全操作、保存磁盘操作、外围设备禁止操作、存取禁止操作、休眠方式操作低电源方式操作和报警操作中选择该操作。

在另一个替换的优选实施例中，本发明提供一个用于控制在一个装置中触发一种操作的控制电路，该装置利用测量一个电池组的端电压来触发在一个预定阈值上的操作，该控制电路包括把在大于预定阈值的一个预定值上的端电压维持一个预定时间周期的装置，以便当端电压达到一个预定点时延迟触发该操作，其中预定点是以从电池组电压、电池电压、剩余电池组容量、电流、时间、温度、压力、PH值和安全性中选择的一个量度为基准的，并且从放电结束操作、关闭操作、安全操作、保存磁盘操作、外围设备禁止操作、存取禁止操作、休眠方式操作低电源方式操作和报警操作中选择该操作。

下面参考附图进一步描述本发明，其中

图1是表示一个典型的石墨基锂离子电池的一个放电曲线图，该电池具有1350mAh的电池容量和1.35A的电池放电率；

图2是表示一个典型的焦炭基锂离子电池的一个放电曲线图，该电池具有1300mAh的电池容量和1.3A的电池放电率；

图3a是一个放电控制电路的一个电路图，该放电控制电路用于把在某一个点(S)上的端电压调整到一个预定值(S)；和

图3b是一个放电控制电路的一个电路图，该放电控制电路用于把在某一个点(S)上的端电压调整到一个预定值(S)并且包含一个升压调压器。

如从附图1与2的比较所能够看到的，对于石墨基与焦炭基锂离子电池的不同的电池化学性质具有不同的放电曲线。特别是，一个焦炭基锂离子电池在电池电压为3.0V时具有大约为150mAh的剩余容量(该容量足以完成放电结束的操作，例如进行保存磁盘的操作)，石墨基锂离子电池在电池电压为3.0V时具有大约为40mAh的剩余容量(该容量不足以完成放电结束的操作，例如保存磁盘的操作)。然而，如果在电池电压例如为3.2V时开始结束放电的操作，那么将有足够的剩余容量(大约为150mAh)来完成这样的操作。很遗憾，当电池的化学性质被改变时，在一个(多个)预定阈值上测量端电压和开始某一个操作的装置没有被设计来改变这个(多个)恒定阈值。本发明通过在适当的时间调整端电压以便触发该操作而不考虑该电池的化学性质来解决这个问题。这些操作足够早的开始以致于具有足够的剩余容量来完成这些操作，或根据电池的化学性质和操作状态，在放电曲线下降到足够低时开始这些操作以便避免剩余容量的浪费。其它的电池化学性质，例如锂聚合物电池和NiMH电池的化学性质也具有不同的放电曲线，并且本发明容易地可适用在其它的情况。

在附图3a和3b中举例说明了在一个锂离子电池中用于调整端电压的优选的电路。图中示出了一个典型的电池组10(三个电池串联)，电池组10具有正端12和负端14，利用一个装置可以测量这两端上的电压。本发明可以与任一个电池或多个电池的组合一起被使用，因此发明不限于在此所示的结构。典型地，测量装置(没有示出)测量在电池端12,14上的端电压来确定端电压是否已经达到一个预定值，以便开始操作，例如开始像EODV保存磁盘这样的操作。该电路允许端电压在一个适当的点上被转换成一个降低(图3a)或更高(图3b)的值，以致于测量端电压的装置被“伪装”成开始操作，或在该端上显示的这种“假”的电压上延迟操作。

如在图3a中所示的，放电控制电路20与一个端子(例如正端12)连接。利用一个微控制器30或其它适当的控制逻辑电路来控制该放电控制电路20。一个电压调压器16与该微控制器30连接。该电压调压器16给微控制器供电并且作为一个用于放电控制电路20的基准电压。在此可以利用如在现有技术中已知的其它电压基准装置。该电路也可以包括保护电路18和保护开关SW-1和SW-2。该微控制器具有如所示的电压检测点a、b、c、d。该微控制器30能够测量在每个电池上的电压，以便如果任一个电池电压达到一个控制容量触发点，那么触发该控制电路20。做为选择，微控制器30也能够测量串联电池组上的端电压以便确定触发控制电路20的时间。微控制器30还可以利用任一个其它的测量，例如剩余电池组容量、电流、时间、温度、压力、PH值和安全措施，以便触发该控制电路20。例如，如果一个温度传感器(或其它的安全监视器)在任何时候确定存在一种不安全的状态，那么微控制器30能够触发控制电路20以便降低端电压。该装置读出这个低的端电压并且认为该电池组是在它的容量耗尽状态，所以触发关闭该装置。在这种方式中，实际上本发明为了安全的理由强迫关闭该装置，即使该装置决没有被设计具有这种安全关机的特性。

在操作中，在图3a中的放电控制电路20通过控制一个开关SW-3，例如一个MOSFET来变换该端电压。然而，本发明预计任一种类型的电路能够实现电池组上端电压的有效减小，例如调压器，包括开关型、串联型、并联型、补偿变换器等类似的调压器。当在放电控制电路20被触发之后一个装置测量端电压时，在该端上呈现的电压低于电池组的实际电压。在正常操作中，放电控制开关(SW-3)是导通的。当放电时，如果微控制器30确定一个操作需要被触发，例如当电池组的容量开始达到EODV操作开始的点时，微控制器30触发放电控制电路20，该放电控制电路20启动开关SW-3以便把端电压调整到一个希望的阈值电压，例如调整到8V的阈值电压，即使实际的电池组电压是大于8V。

在另一个可替换的实施例中，如果一个装置具有比一个阈值电压更大的电压来触发各种操作，那么电路20能够把端电压变换成在时间/容量的适当点上的每个阈值。

在图3a中所示实施例的一种特殊的应用是在利用一个石墨基锂离子电池组效仿或模仿的一个焦炭基锂离子电池组以致于该装置利用足够的剩余容量开始它的EODV操作以便执行这些操作的时侯。该电路最好被包括在电池组的电路中，也就是说包括在电池组之内，以致于为了利用本发明不需要改变该装置。该装置能够连续利用测量端电压来启动操作，但是该电路适当地修改电池组上的端电压，以致于在放电曲线上的适当点上开始操作，而不考虑电池的化学性质。

图3b示出了本发明的另一种实施例的电路图。这个实施例包含在达到一个预定阈值(s)之前增加或保持端电压的电路。除了在图3a中描述的电路之外能够利用这个电路或利用这个电路代替在图3a中描述的电路。虽然本发明预计任一种类型的电路能够实现需要增加电池组的端电压或维护该端电压，例如一个升压调压器/变换器、直流一直流变换器，或开关电容器，但是在图3b中所示的特殊实施例中，放电控制电路20通过触发一个升压变换器/调节器22能够增加该端电压。当在放电控制电路20被触发之后一个装置测量该端电压时，在该端上呈现的电压大于电池组的实际电压。在这个实施例中，当放电时，如果微控制器30确定一种操作需要被延迟，例如当在该电池中仍然有足够的剩余容量来延续常规操作时，那么微控制器30启动该放电控制电路20，该放电控制电路20启动升压变换器/调压器22以便维持该端电压大于将触发EODV操作的阈值电压，直到这样的操作需要被启动为止。

在另一个可替换的实施例中，如果一个装置具有比一个阈值电压更大的电压来触发各种操作，那么电路20能够维持该端电压大于这些阈值直到在时间/容量的适当点为止。

在图3b中所示实施例的一种特殊的应用是在利用一个焦炭基锂离子电池组效仿或模仿的一个石墨基锂离子电池组以致于该装置的EODV操作开始被推迟以避免消耗容量的时侯。该电路最好被包括在电池组的电路中，也就是说包括在电池组之内，以致于为了利用本发明而不需要改变该装置。该装置能够连续利用端电压的测量来启动操作，但是该电路增加电池组的端电压或维持该端电压大于一个特殊阈值，以致于操作被推迟直到适当的点为止，而不考虑电池的化学性质。

通过下面非限制目的的例子可以进一步举例说明本发明。

实例1

根据电压测量来触发EODV操作。

特别是，对于一个设计使用焦炭基锂离子电池的装置(例如一台计算机)，当该电池端电压被测量为8V时，该焦炭基锂离子电池被设计开始进行EODV保存磁盘操作，本发明的电路确保具有足够的电池容量以便执行所有需要的EODV操作，即使例如对一个石墨基锂离子电池来说该电池化学性质变化(对于石墨基锂离子电池来说，在电压为8V上在该电池中将没有足够的剩余容量来执行必要的EODV操作)。在这种情况下，端电压必须被调整，在本例中过早地降低到8V。因此，当在石墨基锂离子电池中的剩余电池电量达到它用于EODV操作的极限时(在本例中它可以是9V)，放电控制电路20被触发以便调整端电压到8V，由此触发该装置的EODV操作(这些操作被预先设置在该装置中以便只在该8V的设置电压上触发)，即使实际的电压大于8V也是如此。本发明在电池组本身的电路中能够设置一种解决方案以便在具有一个设置的EODV触发电压点的装置中能够使用包含不同电池化学性质(具有不同的放电曲线)的电池组。

实例2

根据剩余容量触发EODV操作。

对于一个特殊的数据装置，在放电结束时，(8.1V到7.5V的放电范围)，一个焦炭基电池组具有比100mAh剩余容量更大的容量，因此围绕这种电池化学性质设计的装置能够顺利地临时中断操作。然而，当一种石墨基电池组电压达到8.5V时，没有足够的容量来保存该数据(石墨基电池组没有被建议放电到低于2.7V/每个电池，然而焦炭基电池能够被放电到2.5V/每个电池)。为了使最初为一个焦炭基电池组设计的装置监视端电压并且当达到一个特殊的EODV以便能够利用石墨基电池并且仍然能够顺利地临时中断操作时触发EODV操作，当石墨基电池组达到EODV操作将被触发的一种容量时，由该装置监视的端电压必须被降低。当在石墨基电池组中具有大约150mAh的剩余容量时，设计本发明的模拟和数字控制电路以便把端电压降低到一个预定值(例如在端电压的7.8V+/-1％)。因此，该装置(例如一个计算机)将指示已经提前满足该EODV阈值并且将具有足够的时间来保存任一种所需要的数据和进入到暂时中止模式。

实例3

根据电压测量延迟EODV操作

特别是，对于一个设计使用石墨基锂离子电池的装置，该装置被编程以便当电池端电压被测量为9V时开始EODV保存磁盘操作，本发明的电路延迟触发，以致于即使例如对于一个焦炭基锂离子电池(对于焦炭基锂离子电池，在电压为9V时在该电池中具有比足够的剩余容量更大的容量来执行必要的EODV操作，并且容量将被浪费)，该电池的化学性质变化，电池组容量没有被浪费。在这种情况下，端电压必须被调整和维持，在本例中升高到大于大约9V，以便防止该装置触发EODV操作。因此，当在焦炭基锂离子电池中的剩余电池电量达到该装置用于EODV操作的触发点时(在本例中它可以是9V电压)，放电控制电路20被触发以便把端电压维持在大于9V，由此延迟触发该装置的EODV操作(在该装置EODV操作被预先编程以便只在9V的设置电压时触发)，即使实际的电压小于9V电压。

Claims (24)

1．一种用于控制在一个装置触发一种操作的方法，它利用测量一个电池组的端电压以便在一个预定阈值上触发该操作，该方法包括在达到一个预定点时把该端电压变换成一个预定值。

2．根据权利要求1的方法，其中该预定点是以从电池组电压、电池电压、剩余电池容量、电流、时间、温度、压力、PH值和安全性中选择的一种量度为基准的。

3．根据权利要求2的方法，其中测量的剩余电池容量大约是一个用于执行放电结束操作需要的剩余容量的最小值。

4．根据权利要求1至3的任一种方法，其中把端电压降低到一个预定值，该预定值基本上与用于一个预定周期的预定阈值匹配以便触发该操作。

5．根据权利要求1至3的任一种方法，其中利用一个与实际的电池组电压相对应的预定量来降低端电压，以便提前触发该操作。

6．根据权利要求1至3的任一种方法，其中把端电压维持在大于用于一个预定周期的预定阈值的一个预定值上，以便延迟触发该操作。

7．根据权利要求1至3的任一种方法，其中利用一个与实际的电池组电压相对应的预定量来提高端电压，以便延迟触发该操作。

8．根据权利要求1至4的任一种方法，其中根据一个焦炭基锂离子电池组的化学性质把该装置的预定阈值编程，并且把端电压降低到与阈值基本上相匹配的一个预定值，以便当利用一个石墨基锂离子电池组时，当达到该预定点时触发该操作。

9．根据权利要求1至3和6的任一种方法，其中根据一个石墨基锂离子电池组的化学性质把该装置的预定阈值编程，并且把端电压维持在大于该阈值的一个预定值上，以便当利用一个焦炭基锂离子电池组时，当达到该预定点时延迟触发该操作。

10．根据前面的任一权利要求中的方法，其中从放电结束操作、关闭操作、安全操作、保存磁盘操作、外围设备禁止操作、存取禁止操作、休眠方式操作、低电源方式操作和报警操作中选择该操作。

11．根据前面的任一权利要求中的方法，其中通过在多于一个预定点的预定点上变换端电压来触发多个操作。

12．一种用于控制在一个装置中触发一种操作的装置，它利用测量一个电池组的端电压来在一个预定阈值上触发该操作，该装置包括在达到一个预定点时把该端电压变换成一个预定值的装置。

13．根据权利要求12的装置，其中该装置包括在电池组的电路之内的放电控制电路。

14．根据权利要求13的装置，其中该放电控制电路触发电压调整电路以便把端电压降低到基本上与该预定阈值匹配的一个预定值，由此触发该操作。

15．根据权利要求14的装置，其中电压调整电路包括一个开关。

16．根据权利要求14的装置，其中电压调整电路包括一个补偿变换器。

17．根据权利要求13的装置，其中该放电控制电路触发电压调整电路以便利用一个与实际的电池组电压相对应的一个预定量来降低端电压，由此提前触发该操作。

18．根据权利要求13的装置，其中该放电控制电路触发电压调整电路，以便把端电压维持在大于用于一个预定周期的预定阈值的一个预定值上，由此延迟触发该操作。

19．根据权利要求18的装置，其中电压调整电路包括一个升压变换器。

20．根据权利要求13的装置，其中该放电控制电路触发电压调整电路以便利用一个与实际的电池组电压相对应的一个预定量来提高端电压，由此延迟触发该操作。

21．根据权利要求12至16的任一种装置，其中根据一个焦炭基锂离子电池组的化学性质把该装置的预定阈值编程，并且该装置把端电压降低到与阈值基本上相匹配的一个预定值，以便当利用一个石墨基锂离子电池组时，当达到该预定点时触发该操作。

22．根据权利要求12,13,18和19的任一种装置，其中根据一个焦炭基锂离子电池组的化学性质把该装置的预定阈值编程，并且该装置把端电压维持在大于该阈值的一个预定值上，以便当利用一个焦炭基锂离子电池组时，当达在该预定点时延迟触发该操作。

23．根据权利要求12至22中的任一种装置，其中在多于一个预定点的预定点上变换端电压以便触发多于一个操作的多个操作。

24．一个电池组，包括根据权利要求12的装置。

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